Изучение линейной дисперсии спектрального прибора

Введение

Цель работы: ознакомиться с устройством спектрального прибора и явлением дисперсии, произвести градуировку по длинам волн и определить его характеристику, называемую линейной дисперсией.

1.1. В оптике явлением дисперсии называют зависимость показателя преломления среды n от длины волны света или частоты . Обычно показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны. Такой случай носит название нормальной дисперсии.

Дисперсия в различных прозрачных материалах (стекло, кварц) используется в призменных спектральных приборах, основным элементом которых является призма (или система призм). При прохождении через призму свет отклоняется от прямолинейного направления распространения к основанию призмы. Угол отклонения зависит, в частности, от показателя преломления призмы. Поскольку показатель преломления различен для разных длин волн, то свет каждой длины волны отклоняется на свой угол, причем при нормальной дисперсии лучи с малыми длинами волн (фиолетовые лучи) отклоняются больше, а лучи с большими длинами волн (красные лучи) - меньше. Появляется возможность разделить лучи различных длин волн и выяснить спектральный состав света, т. е. узнать, лучи каких длин волн испускает данный источник (рис. 5.1).

Рис. 5.1

Описание установки

2.1 В настоящей работе для наблюдения дисперсии используется монохроматор УМ-2. Основным назначением монохроматора, как и всякого спектрального прибора, является выделение излучения в узких спектральных диапазонах в пределах заданной спектральной области.

Основными частями монохроматора являются: коллиматор, диспергирующая призма с поворотным механизмом и зрительная труба. Оптическая схема прибора изображена на рис. 5.2.

2.2. Свет от источника S с помощью линзы (конденсора) фокусируется на входной щеликоллиматора. Назначение коллиматора - дать параллельный пучок света, падающий на призмуР. Для этого щель L₂ устанавливается в фокальной плоскости объектива коллиматора . Призма преломляет свет разных длин волн неодинаково в зависимости от показателя преломления для данной длины волны. Выходящие из призмы пучки параллельных лучей разных цветов, имея различные направления, дают в фокальной плоскости линзыцелый ряд различно окрашенных изображений щели - спектр. Наблюдать спектр можно с помощью окуляра, который вместе с линзойобразует зрительную трубу. Линзыи имеют одинаковые фокусные расстояния.

Рис. 5.2

2.3. В работе рассчитывается характеристика прибора, называемая линейной дисперсией . Если источник света на входе прибора, входная щель которого сделана достаточно узкой, посылает лучи с длинами волн отдо+, то в фокальной плоскости получится изображение спектра, растянутое на расстояние . По определению

. (5.1)

2.4. Для расчета необходимо определить на какое расстояниев фокальной плоскости прибора разойдутся лучи, длины волн которых отличаются на. Значенияиможно определить, зная их координатыи, по градуировочной кривой прибора, которая снимается в первой части работы. Но, как найти, если в фокальной плоскости прибора нет миллиметровой шкалы? Для этого разности угловых координатнужно сопоставить в соответствие какой-то линейный эталон длины. Таким эталоном может служить ширина входной щели, ибо в силу симметрии оптической схемы прибора (фокусные расстояния линзLиLравны ) ширина изображения щели на экране равна реальной ширине входной щели, которую мы можем регулировать с помощью микрометрического винта (5) (см. рис. 5.3). Поэтому поступают следующим образом. Устанавливают определенную ширину входной щели, например 1.5 мм. Выводят в поле зрения прибора какую-нибудь спектральную линию, например зеленую. На экране появится изображение щели, ширина которой= 1.5 мм. Находят угловые координаты краев щелии по градуировочному графикуопределяют длины волнитех лучей света, которые пришли бы в точки с координатамии, если бы щель была очень узкой, а в спектре излучения лампы действительно присутствовали бы эти длины волн. Тогда